Pamięć podręczna jednostki centralnej (CPU) to rodzaj pamięci o dostępie swobodnym (RAM), która jest wbudowana bezpośrednio w sam mikroprocesor komputera i jest określana jako pamięć podręczna L1. Inną odmianą pamięci podręcznej procesora są układy statycznej pamięci RAM L2 (SRAM) o ograniczonej pojemności na płycie głównej. Oba te typy pamięci są pierwszymi, do których mikroprocesor uzyskuje dostęp podczas wykonywania rutynowych instrukcji przed użyciem standardowej pamięci RAM, co zapewnia procesorom lepszą charakterystykę wydajności.
Praktyka umieszczania pamięci podręcznej procesora na mikroprocesorach w celu natychmiastowego dostępu do pamięci w celu przyspieszenia dostępu do danych dla procesora jest praktykowana od czasu stworzenia procesora komputerowego 80486 wyprodukowanego w 1989 r., który miał wbudowany szczątkowy rejestr pamięci podręcznej L1. Większe poziomy pamięci podręcznej L2, które zostały bezpośrednio zintegrowane z funkcjonalnością procesora, weszły do użytku w 1995 r. Od 2011 r. w niektórych systemach komputerowych istnieje również trzeci poziom pamięci podręcznej procesora, znany jako L3, do którego dostęp uzyskuje się przed główną pamięcią RAM systemu sam jest używany. Każdy poziom pamięci podręcznej ma być większy i wolniejszy w miarę wzrostu odległości od mikroprocesora. Najwcześniejsze poziomy pamięci podręcznej procesora L1 miały rozmiar 8 kilobajtów, przy czym pamięć podręczna L2 na maszynach już w 2007 r. przekraczała limit rozmiaru 6 megabajtów, a niektóre systemy od 2011 r. zawierały bufor pamięci podręcznej L4 o wielkości do 64 megabajtów.
Funkcja szybkiej pamięci podręcznej o małej pojemności dla mikroprocesorów koncentruje się na sposobie wykonywania instrukcji. Gdy mikroprocesor wykonuje operacje, tradycyjnie musi wysyłać żądania danych do pamięci głównej przez magistralę systemową. W kategoriach komputerowych jest to bardzo powolny proces, więc projektanci procesorów wbudowali skróty do procesu dla danych, do których mikroprocesor ma wielokrotnie dostęp. Gdy często używane dane są już załadowane do pamięci podręcznej procesora, mikroprocesor może wykonywać operacje ze znacznie większą szybkością i wydajnością. Z tego powodu ta pamięć jednostki centralnej jest często określana jako pamięć podręczna instrukcji lub pamięć podręczna danych, gdzie jest bezpośrednio powiązana z funkcjonalnością mikroprocesora i sprzętu samego komputera. W przeciwieństwie do tego, większość danych przechowywanych w standardowej pamięci RAM na komputerze to pamięć podręczna oprogramowania dla wielu programów, które komputer działa jednocześnie.
Pamięć podręczna L1 jest również często określana jako pamięć chroniona lub pamięć z alokacją bez zapisu, ponieważ dane przechowywane w tej pamięci podręcznej są niezbędne do funkcjonowania komputera. Jeśli przypadkowo zostanie nadpisany, komputer może cierpieć z powodu ogólnego błędu ochrony, w którym jest zmuszony do wyłączenia i ponownego uruchomienia w celu wyczyszczenia uszkodzonej pamięci podręcznej procesora. Różne poziomy pamięci podręcznej procesora mają funkcję bufora zapisu, w którym będą zapisywały przechowywane tam dane z powrotem do pamięci głównej, aby zwolnić miejsce w pamięci podręcznej na wypadek, gdy częściej używane operacje muszą mieć wyższy priorytet w przetwarzaniu.
Duże ilości pamięci podręcznej procesora poprawią wydajność mikroprocesora do punktu, w którym może on przewyższyć szybszy procesor, który ma mniej pamięci podręcznej wbudowanej w system. Szybkość magistrali FSB jest również kluczowa w określaniu wydajności mikroprocesora. Ogólnie rzecz biorąc, prędkość magistrali była tradycyjnie wąskim gardłem dla charakterystyki wydajności na komputerach osobistych (PC), gdzie przetwarzanie musi być kierowane tam iz powrotem przez magistralę do pamięci. Wysokie szybkości FSB od 2011 r. dla procesorów Core 2 są na poziomie 1,600 megaherców lub 1,600 milionów cykli na sekundę zestawów instrukcji komputerowych.